During the last few decades, concerns about water shortages and pollution have increased. Consequently, environmental legislations and regulations for wastewater discharge have been issued. The objective of this work was to contribute in developing an efficient dsorbent for removing heavy metal ions from wastewater. The thesis focused on evaluating amine-modified SBA-15 as copper and other heavy metal ions adsorbent, by determining a variety of adsorptive properties with the aim of gaining a deep understanding of its behavior and to outline its advantages and limitations. The influence of synthesis conditions on the mesostructural stability of the resultant materials after different water treatments was systematically investigated. N2 adsorption results indicated that the material prepared via co-condensation and aged at 100 ºC was not stable and lost its ordered mesoporous structure after contacting water even at room temperature. Aging at 130 ºC and addition of inorganic salts resulted in materials that maintained their mesporous structure under different water treatments. The material synthesized in the presence of KCl was used as adsorbent for the rest of the thesis work. It was shown that the structural collapse observed in amine-modified SBA-15 prepared by conventional method when contacted with aqueous solutions is associated with the drying process, and not the treatment itself. This structural collapse was avoided by replacing water with more volatile liquids such as acetone, before drying. Amino-functionalized SBA-15 was tested for the removal of copper ions from aqueous solutions under different temperatures, pH, initial concentrations and agitation speeds. The obtained results indicated that the amino-functionalized SBA-15 was very efficient and equilibrium was achieved in less than 30 min at room temperature. The adsorption capacity increased dramatically with increasing temperature, initial copper concentration and pH. Under suitable conditions, the material exhibited high adsorption capacity even at very low copper concentration. To further investigate the effect of dsorption parameters, a 24 factorial design experiments were used to screen the factors affecting the copper removal efficiency. All the parameters main effects were significant within a 95 % confidence level. Surface composite design was used to develop a reliable model representing the adsorption process. The statistical tests used proved the adequacy of the second order model. Optimization of the factors levels was carried out and the recommended optimum conditions are: copper concentration of 20 mg/L, adsorbent/solution ratio of 1.57 g/L, pH of 6.5, and T = 294 K with 95% copper removal. The effect of regeneration conditions was investigated after three adsorption–desorption cycles, under different batchwise regeneration conditions. Using a composite surface design methodology, the effect of the regeneration conditions on the performance of the adsorbent was investigated. It was found that all the studied parameters have a statistically significant influence on the working dsorption capacity. With respect to structural properties and amine content, none of the factors was found to be significant. Regeneration using EDTA was found to be more efficient than acid treatment. Amino-functionalized SBA-15 was studied as potential absorbent for Cd2 +, Co2 +, Cu2 +, Zn2 +, Pb2 +, Ni2 +, Al3+ and Cr3 +. The adsorption capacity and selectivity of the material were investigated in single and multi-metal solutions. Using very dilute solutions, i.e., 10 ppm, more than 95% of cations were removed, except for Co2+ and Cr3 +, indicatingthe high sensitivity of the current adsorbent. The adsorption capacities in multi-metal solutions were lower than in single-metal ones because of competition between metallic elements for the amine groups. The adsorbent was not affected in the presence of sodium, potassium, and calcium, indicating that the ionic strength does not affect the adsorption properties. Application of this material to remove copper in tap water, river water, and electroplating wastewater was shown to be successful. Dynamic experiments were carried out on the adsorption of copper ions in a laboratory packed-bed of amine-modified SBA-15. Breakthrough curves were analyzed at different flowrates and after two adsorption-desorption cycles. Furthermore, a model based on mass balance was developed and tested for predicting the breakthrough curves under different experimental conditions used. The results suggested that the developed model was in good agreement with the experimental data. Bed regeneration was performed by circulating 0.2 M EDTA solution through the column for 30 min. Résumé Durant les quelques dernières décennies, les préoccupations concernant les pénuries d'eau et la pollution en général ont augmenté. Par conséquent, des législations et des réglementations environnementales pour les rejets d'eaux usées ont été introduites. L'objectif de ce travail était de contribuer au développement d'un adsorbant efficace pour éliminer les ions de métaux lourds des eaux usées. Cette thèse porte sur l'évaluation de SBA-15 modifiée avec des amines comme adsorbant pour le cuivre et d'autres ions de métaux lourds par la détermination d'une multitude de propriétés d'adsorption dans le but d'acquérir une profonde compréhension de son comportement et d’identifier ses avantages et ses limites. L'influence des conditions de synthèse sur la stabilité des matériaux mésoporeux obtenus après différents traitements a été étudié de façon systématique. Les résultats d'adsorption de N2 ont indiqué que le matériel préparé par co-condensation et vieilli à 100 °C n'était pas stable et a perdu sa structure mésoporeuse ordonnée après avoir été en contact avec l'eau même à température ambiante. Le vieillissement à 130 °C, avec ajout de sels inorganiques, a abouti à des matériaux qui ont maintenu leur structure mésoporeuse sous différents traitements en présence d'eau. Le matériau synthétisé en présence de KCl a été utilisé comme adsorbant pour le reste du travail de cette thèse. Il a été démontré que l'effondrement de la structure observé dans la SBA-15 modifiée aux amines, préparée par la méthode conventionnelle en contact avec des solutions aqueuses est associé avec le processus de séchage, et non le traitement lui-même. Cet effondrement de structure a été évité en remplaçant l'eau avec des liquides plus volatils tels que l'acétone, avant le séchage. La SBA-15 amino-fonctionnalisée a été testée pour l'élimination des ions de cuivre des solutions aqueuses à différentes températures, pH, concentrations initiales et vitesses d'agitation. Les résultats obtenus ont indiqué que la SBA-15 amino-fonctionnalisée était très efficace et l'équilibre a été atteint en moins de 30 min à température ambiante. La capacité d'adsorption a considérablement augmenté avec la température, la concentration initiale de cuivre et le pH. Sous des conditions appropriées, le matériau a manifesté une grande capacité d'adsorption, même à des concentrations très faibles en cuivre. Afin d’étudier l'effet des paramètres d'adsorption, un plan factoriel de 24 expériences a été utilisé pour dépister les facteurs affectant l'efficacité d'élimination du cuivre. Tous les effets principaux des paramètres étaient importants à 95% de niveau de confiance. La méthodologie de la surface composite a été utilisée pour développer un modèle fiable qui représente le processus d'adsorption. Les tests statistiques utilisés ont prouvé la pertinence du modèle de second ordre. L’optimisation des niveaux des facteurs a été effectuée et les conditions optimales recommandées sont: la concentration en cuivre de 20 mg/L, le rapport adsorbant/solution de 1.57 g/L, pH de 6.5 et T = 294 K pour l'élimination de 95% de cuivre. L'effet des conditions de régénération a été étudié après trois cycles d'adsorption-désorption, sous différentes conditions de régénération. En utilisant la méthodologie de la surface composite, l'effet des conditions de régénération sur la performance de l'adsorbant a été étudié. Il a été constaté que tous les paramètres étudiés ont une influence statistiquement significative sur la capacité de travail d'adsorption. En ce qui concerne les propriétés structurelles et la teneur en amine, aucun des facteurs n’a été jugé significatif. La régénération à l'aide d'EDTA a été jugée plus efficace que le traitement acide. La SBA-15 amino-fonctionnalisée a été étudiée comme absorbant potentiel de Cd2+, Co2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+, Ni2+, Al3+ and Cr3+. La capacité d'adsorption et la sélectivité du matériau ont été étudiées dans des solutions mono- et multi-métalliques. En utilisant des solutions très diluées, soit 10 ppm, plus de 95% de cations ont été enlevés, sauf pour le Co2+ et Cr3+, indiquant la forte sensibilité de l'adsorbant. Les capacités d'adsorption dans les solutions multi-métalliques étaient inférieures à celles des solutions mono-métalliques en raison de la concurrence entre les éléments métalliques pour les groupes amine. L'adsorbant n'a pas été affecté par la présence de sodium, de potassium et de calcium, ce qui indique que la force ionique n'affecte pas les propriétés d'adsorption. L’usage avec succès de ce matériau pour éliminer le cuivre dans l'eau de robinet, l’eau de rivière et les eaux usées de galvanoplastie a été démontré. Des expériences dynamiques ont été réalisées sur l'adsorption des ions de cuivre par la SBA-15 amine-modifiée sur une colonne à lit fixe de laboratoire. Les courbes de perçage ont été analysées à des débits différents et après deux cycles d'adsorption-désorption. De plus, un modèle basé sur le bilan de matière a été développé et testé pour prédire les courbes de perçage sous les différentes conditions expérimentales utilisées. Les résultats suggèrent que le modèle développé est en bon accord avec les données expérimentales. La régénération du lit a été réalisée en faisant circuler une solution EDTA à 0.2 M à travers la colonne pendant 30 min.

[ES] La presente tesis doctoral titulada "Nanodispositivos mesoporosos híbridos funcionalizados con enzimas para detección, liberación controlada y comunicación molecular" se centra en el diseño, preparación, caracterización y evaluación de distintos nanodispositivos híbridos orgánico-inorgánicos utilizando como soporte nanopartículas tipo Janus de oro y sílice mesoporosa, que se equipan con enzimas, especies fluorescentes y puertas moleculares. Como conclusión general, los estudios realizados muestran que la incorporación de enzimas sobre nanopartículas permite introducir funciones de reconocimiento con alta especificidad y diseñar nanodispositivos avanzados para distintas finalidades. La combinación de nanopartículas híbridas con grupos orgánicos como puertas moleculares, efectores enzimáticos y especies cromo- fluorogénicas o fármacos puede resultar muy versátil; y se espera que los resultados obtenidos puedan inspirar el desarrollo de nuevos materiales inteligentes con aplicación en distintas áreas como la nanomedicina y la detección de moléculas de interés. / [CAT] La present tesi doctoral titulada "Nanodispositius mesoporosos híbrids funcionalitzats amb enzims per a detecció, alliberació controlada i comunicació molecular" es centra en el disseny, preparació, caracterització i avaluació de distints nanodispositius híbrids orgànic-inorgànics utilitzant com a suport nanopartícules tipus Janus d'or i sílice mesoporosa, que s'equipen amb enzims, espècies fluorescents i portes moleculars. Com a conclusió general, els estudis realitzats mostren que la incorporació d'enzims sobre nanopartícules permeten introduir funcions de reconeixement amb alta especificitat i dissenyar nanodispositius avançats per a distintes finalitats. La combinació de nanopartícules híbrides amb grups orgànics com portes moleculars, efectors enzimàtics i espècies cromo-fluorogèniques o fàrmacs pot resultar molt versàtil; i s'espera que els resultats obsessos inspiren el desenvolupament de nous materials intel·ligents amb aplicació en distintes àrees com la nanomedicina i la detecció de molècules d'interés. / [EN] This PhD thesis entitled "Enzyme-functionalized hybrid mesoporous nanodevices for sensing, controlled release and molecular communication" is focused on the design, synthesis, characterization and evaluation of several hybrid organic-inorganic nanodevices using Janus gold-mesoporous silica nanoparticles as scaffolds, equipped with enzymes, fluorescent species and molecular gates. In conclusion, these studies show that the incorporation of enzymes on nanoparticles allows to introduce recognition capabilities with high specificity and to design advanced nanodevices for different purposes. The combination of hybrid nanoparticles with organic groups such as molecular gates, enzymatic effectors and chromo-fluorogenic species or drugs can be very versatile; and we hope that the obtained results inspire the development of new smart materials with application in different areas such as nanomedice and sensing. / Llopis Lorente, A. (2019). Enzyme-functionalized hybrid mesoporous nanodevices for sensing, controlled release and molecular communication [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/117612 / TESIS

No description available.

[ES] La presente tesis doctoral titulada "Detección óptica de especies químicas de importancia ambiental y biológica utilizando sensores moleculares y materiales híbridos" se centra en el diseño, preparación, caracterización y evaluación de sensores químicos moleculares. El trabajo realizado se puede dividir en dos partes: (i) síntesis de sensores de cationes metálicos en disolución y (ii) síntesis y caracterización de nanopartículas híbridas orgánico-inorgánicas para el reconocimiento de especies químicas y biológicas. En el primer capítulo se introduce el marco en el que se engloban los fundamentos teóricos de la química supramolecular en que se basan los estudios prácticos realizados durante la presente tesis doctoral. A continuación, en el capítulo dos, se presentan los objetivos generales de la tesis. En el tercer capítulo se presenta un quimiodosímetro cromo-fluorogénico, capaz de detectar selectivamente cationes trivalentes entre cationes y aniones monovalentes y divalentes mediante una reacción de deshidratación en agua. En el cuarto capítulo se presenta una unidad (BODIPY) conectada electrónicamente con un macrociclo dithia-dioxa-aza. Las soluciones de acetonitrilo y agua-acetonitrilo 95: 5 v / v de la sonda mostraron una banda ICT en la zona visible y son casi no emisivas. Cuando se utilizó acetonitrilo como disolvente, la adición de Hg (II) y cationes metálicos trivalentes indujo un cambio hipsocrómico de la banda de absorción y mejoras moderadas de la emisión. Se obtuvo una respuesta altamente selectiva al utilizar medios competitivos como agua-acetonitrilo 95:5 v/v. En este caso, sólo el Hg (II) indujo un cambio hipsocrómico de la banda de absorción y una mejora marcada de la emisión. El quinto capítulo explora el desarrollo de sensores para berberina y amantadina. Dos moléculas de interés biológico por su uso como fármacos. Se han preparado tres sistemas de sensores basados en la aproximación de puertas moleculares. En concreto, sobre nanopartículas MCM-41 cargadas con rodamina B como unidad de señalización, se ha llevado a cabo la funcionalización con diversas aminas y el bloqueo de poros con cucurbituril CB7. Las aminas utilizadas son ii ciclohexilamina, bencilamina y amantadina. Los materiales obtenidos se han caracterizado por técnicas de difracción de rayos X y microscopía electrónica de transmisión confirmando la estructura mesoporosa de las nanopartículas. Los materiales preparados muestran una respuesta a la berberina y la adamantina, quitando el tapón y liberando el tinte fluorescente al medio. La respuesta de los materiales a las dos sustancias de interés (berberina y amantadina) depende de la estructura química de cada uno de los materiales en función de las constantes de afinidad entre el analito y CB7. Los resultados obtenidos abren el camino al uso de puertas moleculares como sensores de berberina y amantadina. / [CA] La present tesi doctoral titulada "Detecció òptica d'espècies químiques d'importància ambiental i biològica utilitzant sensors moleculars i materials híbrids" se centra en el disseny, preparació, caracterització i avaluació de sensors químics moleculars. El treball realitzat es pot dividir en dues parts: (i) síntesi de sensors de cations metàl·lics en dissolució i (ii) síntesi i caracterització de nanopartícules híbrides orgànic-inorgànics per al reconeixement d'espècies químiques i biològiques. En el primer capítol s'introdueix el marc en el qual s'engloben els fonaments teòrics de la química supramolecular en què es basen els estudis pràctics realitzats durant la present tesi doctoral. A continuació, en el capítol dos, es presenten els objectius generals de la tesi. En el tercer capítol es presenta un quimiodosímetro crom-fluorogénic, capaç de detectar selectivament cations trivalents entre cations i anions monovalents i divalents mitjançant una reacció de deshidratació en aigua. En el quart capítol es presenta una unitat (BODIPY) connectada electrònicament amb un macrocicle dithia-dioxa-aza. Les solucions de acetonitril i aigua-acetonitril 95:5 v/v de la sonda van mostrar una banda ICT a la zona visible i són gairebé no emisivas. Quan es va utilitzar acetonitril com a dissolvent, l'addició de Hg (II) i cations metàl·lics trivalents va induir un canvi hipsocròmic de la banda d'absorció i millores moderades de l'emissió. Es va obtenir una resposta altament selectiva a l'utilitzar mitjans competitius com aigua-acetonitril 95:5 v/v. En aquest cas, només el Hg (II) va induir un canvi hipsocròmic de la banda d'absorció i una millora marcada de l'emissió. El cinquè capítol explora el desenvolupament de sensors per berberina i amantadina. Dues molècules d'interès biològic pel seu ús com a fàrmacs. S'han preparat tres sistemes de sensors basats en l'aproximació de portes moleculars. En concret, sobre nanopartícules MCM-41 carregades amb rodamina B com a unitat de senyalització, s'ha dut a terme la funcionalització amb diverses amines i el bloqueig de porus amb cucurbituril CB7. Les amines utilitzades són ciclohexilamina, bencilamina i amantadina. Els materials obtinguts s'han caracteritzat per tècniques iv de difracció de raigs X i microscòpia electrònica de transmissió confirmant l'estructura mesoporosa de les nanopartícules. Els materials preparats mostren una resposta a la berberina i la adamantina, llevant el tap i alliberant el tint fluorescent a l'mig. La resposta dels materials a les dues substàncies d'interès (berberina i amantadina) depèn de l'estructura química de cada un dels materials en funció de les constants d'afinitat entre l'anàlit i CB7. Els resultats obtinguts obren el camí a l'ús de portes moleculars com a sensors de berberina i amantadina. / [EN] The present doctoral thesis entitled "Optical detection of chemical species of environmental and biological importance using molecular sensors and hybrid materials" focuses on the design, preparation, characterization and evaluation of molecular chemical sensors. The work carried out can be divided into two parts: (i) synthesis of metal cation sensors in solution and (ii) synthesis and characterization of hybrid organic-inorganic nanoparticles for the recognition of chemical and biological species. The first chapter introduces the framework that encompasses the theoretical foundations of supramolecular chemistry on which the practical studies carried out during this doctoral thesis are based. Next, in chapter two, the general objectives of the thesis are presented. In the third chapter, a chromium-fluorogenic chemodosimeter is presented, capable of selectively detecting trivalent cations by means of a dehydration reaction in water. The fourth chapter presents a new compound containing a BODIPY unit electronically connected with a dithia-dioxa-aza macrocycle. Acetonitrile and water-acetonitrile 95:5 v/v solutions of the probe showed an ICT band in the visible zone and were nearly non-emissive. When acetonitrile was used as a solvent, addition of Hg(II) and trivalent metal cations induced an hypsochromic shift of the absorption band and moderate emission enhancements. A highly selective response was obtained when using competitive media such as water- acetonitrile 95:5 v/v. In this case only Hg(II) induced a hypsochromic shift of the absorption band and a marked emission enhancement. The fifth chapter explores the development of sensors for berberine and amantadine; two molecules of biological interest due to their use as drugs. Three sensing systems based on a "molecular gate" approximation have been prepared. Specifically, MCM-41 nanoparticles were loaded with Rhodamine B as a signalling unit, functionalized with various amines and capped with cucurbituril CB7. The amines used are cyclohexylamine, benzylamine and amantadine., The materials obtained were characterized by X-ray diffraction techniques and transmission vi electron microscopy, confirming the mesoporous structure of the nanoparticles. The prepared materials showed a response to berberine and adamantine, which induced release of the fluorescent dye to the medium. The response of the materials to the two substances of interest (berberine and amantadine) depends on the chemical structure of the capping ensemble and it is a function of the affinity constants between the analyte and CB7. The results obtained open the way to the use of gated materials as berberine and amantadine probes. / We thank the Spanish Government (MAT2015-64139-C4-1-R) and Generalitat Valenciana (PROMETEOII/2014/047). M. L. P. thanks Generalitat Valenciana for her Grisolia fellowship. Thanks are also due to Fundação para a Ciência e Tecnologia (Portugal) for financial support to the Portuguese NMR network (PTNMR, Bruker Avance III 400-Univ. Minho), FCT and FEDER (European Fund for Regional Development)-COMPETEQREN- EU for financial support to the research centre CQ/UM [PEst-C/ QUI/UI0686/2013 (FCOMP-01-0124-FEDER-037302)], and a post- doctoral grant to R. M. F. Batista (SFRH/BPD/79333/2011). / Lo Presti, M. (2021). Optical detection of chemical species of environmental and biological relevance using molecular sensors and hybrid materials [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172664 / TESIS

[ES] La presente tesis doctoral titulada "Mesoporous silica and gold-based nanodevices: new controlled delivery platforms for biomedical applications" se centra en el diseño, síntesis, caracterización y evaluación de distintos nanodispositivos híbridos orgánico-inorgánicos. En concreto, se utilizan como soporte nanopartículas mesoporosas de sílice y nanopartículas de oro para su aplicación biomédica, en concreto en el campo del cáncer de mama. En el primer capítulo se introduce el marco general en el que se engloban los estudios realizados. Se presentan los conceptos relacionados con nanotecnología y nanomedicina, así como la interacción de las nanopartículas a nivel biológico con el organismo y las células. Finalmente, se introducen conceptos básicos del cáncer de mama y la aplicación de nanomateriales como terapia. A continuación, en el segundo capítulo, se exponen los objetivos de la presente tesis doctoral que son abordados en los siguientes capítulos experimentales. En el tercer capítulo se describe el primer nanomaterial para la liberación controlada de dos inhibidores (navitoclax y S63845) de las proteínas anti- apoptóticas de la familia Bcl-2. Este sistema se ha diseñado con el objetivo de superar la resistencia a navitoclax en un modelo celular de cáncer de mama triple negativo. En concreto, se han preparado nanopartículas mesoporosas de sílice cargadas con navitoclax y S63845, y funcionalizadas con un aptámero dirigido a la proteína de superficie MUC1, que actúa como puerta molecular. En este trabajo hemos demostrado que las nanopartículas diseñadas son internalizadas preferentemente por células tumorales de cáncer de mama. También hemos demostrado la capacidad de las nanopartículas de revertir la resistencia a navitoclax en un modelo celular de cáncer de mama triple negativo. Además, ponemos de manifiesto la disminución del principal efecto adverso (trombocitopenia) asociado a la administración del navitoclax en su formulación libre, gracias a la encapsulación en las nanopartículas. En el capítulo cuatro se presenta un sistema sensible a pH para la liberación controlada de un cargo fluorescente y la maquinaria de edición génica basada en el sistema CRISPR/Cas9, dirigido a la edición del gen codificante de la proteína fluorescente verde (GFP, del inglés gren fluorescent protein). El nanodispositivo está constituido por nanopartículas mesoporosas de sílice cargadas con rodamina B, funcionalizadas con polietilenimina y revestidas con el plásmido codificante del sistema CRISPR/Cas9. En este trabajo se ha demostrado el escape lisosomal de las nanopartículas, mediado por el efecto esponja de protones de la PEI. Asimismo, mostramos un nanodispositivo pionero en su campo, basado en nanopartículas mesoporosas de sílice, capaz de realizar la doble función de llevar a cabo la edición del gen codificante de GFP y la liberación exitosa del cargo fluorescente. En el quinto, y último, capítulo experimental se propone una nueva aproximación para realizar una terapia enzimática prodroga empleando nanopartículas de oro como transportadores enzimáticos. En este caso, se aborda la funcionalización de nanopartículas de oro con la enzima peroxidasa de rábano (HRP, del inglés horseradish peroxidase), capaz de transformar la prodroga inocua ácido indol-3-acético en especies radicales que resultan tóxicas para las células tumorales. En este capítulo se ha demostrado el efecto terapéutico del nanodispositivo en combinación con la prodroga en modelos celulares de cáncer de mama de los subtipos luminal A y triple negativo. Además, se ha confirmado la eficacia terapéutica del sistema en esferoides tumorales formados por células de cáncer de mama triple negativo. Por último, se presentan en el capítulo seis las conclusiones extraídas del desarrollo de esta tesis doctoral. Los resultados obtenidos en este trabajo contribuirán al desarrollo de nuevos nanomateriales inteligentes con aplicación en diversas áreas de la nanomedicina. / [CA] La present tesi doctoral titulada "Mesoporous silica and gold-based nanodevices: new controlled delivery platforms for biomedical applications" se centra en el disseny, síntesi, caracterització i avaluació de diferents nanodispositius híbrids orgànic-inorgànics. En concret, s'utilitzen com a suport nanopartícules mesoporoses de sílice i nanopartícules d'or per a la seua aplicació biomèdica, en concret en el camp del càncer de mama. En el primer capítol s'introdueix el marc general en el qual s'engloben els estudis realitzats. Es presenten els conceptes relacionats amb la nanotecnologia i nanomedicina, així com la interacció de les nanopartícules a nivell biològic amb l'organisme i les cèl·lules. Finalment, s'introdueixen conceptes bàsics del càncer de mama i l'aplicació de nanomaterials com a teràpia. A continuació, en el segon capítol, s'exposen els objectius de la present tesi doctoral que són abordats en els següents capítols experimentals. En el tercer capítol es descriu el primer nanomaterial utilitzat per a l'alliberament controlat de dos inhibidors (navitoclax i S63845) de les proteïnes anti-apoptòtiques de la família Bcl-2. Aquest sistema s'ha dissenyat amb l'objectiu de superar la resistència a navitoclax en un model cel·lular de càncer de mama triple negatiu. En concret, s'han preparat nanopartícules mesoporoses de sílice carregades amb navitoclax i S63845, i funcionalitzades amb un aptàmer dirigit a la proteïna de superfície MUC1, que actua com a porta molecular. En aquest treball hem demostrat que les nanopartícules dissenyades són internalitzades preferentment per cèl·lules tumorals de càncer de mama. També hem demostrat la capacitat de les nanopartícules de revertir la resistència a navitoclax en un model cel·lular de càncer de mama triple negatiu. A més, posem de manifest la disminució del principal efecte advers (trombocitopènia) associat a l'administració del navitoclax en la seua formulació lliure, gràcies a l'encapsulació en les nanopartícules. En el capítol quatre es presenta un sistema sensible a pH per a l'alliberament controlat d'una càrrega fluorescent i la maquinària d'edició gènica basada en el sistema CRISPR/Cas9, dirigit a l'edició gènica del gen codificant de la proteïna fluorescent verda (GFP, del anglés gren fluorescent protein). El nanodispositiu està constituït per nanopartícules mesoporoses de sílice carregades amb rodamina B, funcionalitzades amb polietilenimina i revestides amb el plàsmid codificant del sistema CRISPR/Cas9. En aquest treball s'ha demostrat la fuga lisosomal de les nanopartícules, mediat per l'efecte esponja de protons de la PEI. Així mateix, vam mostrar un nanodispositiu pioner en el seu camp, basat en nanopartícules mesoporoses de sílice, capaç de realitzar la doble funció de dur a terme l'edició del gen codificant de la GFP i l'alliberament exitós de la càrrega fluorescent. En el cinqué i últim capítol experimental es proposa una nova aproximació per a realitzar una teràpia enzimàtica prodroga emprant nanopartícules d'or com a transportadors enzimàtics. En aquest cas, s'aborda la funcionalització de nanopartícules d'or amb l'enzim peroxidasa de rave (HRP, del anglés horseradish peroxidase), capaç de transformar la prodroga innòcua àcid indol-3-acètic en espècies radicals que resulten tòxiques per a les cèl·lules tumorals. En aquest capítol s'ha demostrat l'efecte terapèutic del nanodispositiu en combinació amb la prodroga en models cel·lulars de càncer de mama dels subtipus luminal A i triple negatiu. A més, s'ha confirmat l'eficàcia terapèutica del sistema en esferoides tumorals formats per cèl·lules de càncer de mama triple negatiu. Finalment, en el capítol sis es presenten les conclusions extretes del desenvolupament d'aquesta tesi doctoral. Els resultats obtinguts en aquesta tesi contriburan al desenvolupament de nous nanomaterials intel·ligents amb aplicació en diverses àrees de la nanomedicina. / [EN] This Ph.D. thesis entitled "Mesoporous silica and gold-based nanodevices: new controlled delivery platforms for biomedical applications" is focused on the design, synthesis, characterisation, and evaluation of several hybrid organic-inorganic nanomaterials. We have developed mesoporous silica nanoparticles and gold nanoparticles for biomedical applications, specifically in the breast cancer area. The first chapter includes an overview of the concepts related to the research performed. Introductory notions about nanotechnology and biomedicine are presented, as well as the basis of the interactions of nanoparticles with biological systems. Finally, breast cancer disease and the application of nanomaterials as therapy are described. Next, in the second chapter, the objectives addressed in the following experimental chapters are displayed. In the third chapter, we present the first nanomaterial for the controlled delivery of two inhibitors (navitoclax and S63845) of the Bcl-2 anti-apoptotic proteins. This nanosystem has been designed to overcome navitoclax resistance in a triple-negative breast cancer cellular model. We have prepared mesoporous silica nanoparticles loaded with navitoclax and S63845 and functionalised with an aptamer targeting MUC1 surface protein as a molecular gate. In this work, the specific targeting of the nanodevice to breast cancer cells has been demonstrated. The ability to overcome navitoclax resistance has been shown in navitoclax-resistant triple-negative breast cancer cells. Furthermore, navitoclax encapsulation in the nanoparticles has proved to reduce the main adverse effect (thrombocytopenia) associated with free formulated drug administration. In the fourth chapter, we describe a pH-responsive nanosystem for the controlled co-delivery of a fluorescent cargo and the genome-editing machinery based on CRISPR/Cas9, which targets the green fluorescent protein (GFP) coding gene. The nanodevice consists of mesoporous silica nanoparticles loaded with rhodamine B, functionalised with polyethyleneimine, and capped with the CRISPR/Cas9 plasmid. In the present work, we have shown the lysosomal scape capacity of the nanodevice enhanced by the proton sponge effect of PEI. We have also demonstrated a pioneering mesoporous silica-based nanodevice efficient in the simultaneous genome editing of the GFP gene (as a model gene) and the successful release of a fluorescent cargo (as a model drug). In the fifth and last experimental chapter, we propose a new approximation to develop enzyme prodrug therapy using gold nanoparticles as enzyme carriers. In this case, we use gold nanoparticles functionalised with the enzyme horseradish peroxidase (HRP), which transforms the non-toxic prodrug indol-3-acetic acid into radical species toxic to tumour cells. In this chapter, the therapeutic effect of the nanodevice in combination with the prodrug has been demonstrated in two breast cancer cell subtypes (luminal A and triple-negative breast cancers). Also, the therapeutic effect of the material has been corroborated in multicellular tumour spheroid-like cultures formed by triple-negative breast cancer cells. Finally, in the sixth chapter, the conclusions derived from the presented studies and the general conclusions of this Ph.D. thesis are released. The obtained results will promote the development of new smart nanomaterials with diverse biomedical applications. / Gema Vivo-Llorca thanks the Generalitat Valenciana for her fellowship ACIF/2017/072. Vicente Candela-Noguera thanks the Spanish Government for his fellowship FPU15/02753. We would like to thank Servier for the workart used in the figures of this manuscript (Servier Medical Art https://smart.servier.com/). We thank the Spanish Government (project RTI2018-100910-B-C41 (MCUI/AEI/FEDER, UE); SAF2017-84689-R-B (MCUI/AEI/FEDER, UE)) and the Generalitat Valenciana (project PROMETEO/2018/024 and PROMETEO/2019/065) for support. / Vivo Llorca, G. (2021). Mesoporous silica and gold-based nanodevices: new controlled delivery platforms for biomedical applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172713 / TESIS

[ES] La presente tesis doctoral, titulada "papel del miR-99a-5p en cáncer de mama: transformando hallazgos moleculares en herramientas clínicas" está centrada en el estudio del microRNA miR-99a-5p en cáncer de mama y en la determinación de su potencial como diana terapéutica y biomarcador para el diagnóstico de dicha enfermedad. En el primer capítulo, se lleva a cabo una revisión general del cáncer de mama y los microRNAs. A continuación, en el segundo capítulo se presentan los objetivos. En el tercer capítulo se compararon los perfiles de expresión de microRNAs de una línea celular de cáncer de mama resistente a doxorrubicina frente a la línea celular parental, dando lugar a la identificación del microRNA miR-99a-5p como el más desregulado entre ambas. A continuación, se confirmó que el miR-99a-5p aumenta la sensibilidad a doxorrubicina mediante la inhibición directa de la expresión de COX-2, que conlleva la inhibición de la expresión de la proteína ABCG2, ampliamente descrita por su papel en resistencia a fármacos. En base a los resultados obtenidos, se diseñaron nanodispositivos basados en nanopartículas mesoporosas de sílice para la liberación de miR-99a-5p y doxorrubicina en los tumores. Se confirmó la eficacia de las nanopartículas para reducir el crecimiento tumoral así como los efectos adversos asociados a la doxorrubicina libre en un modelo ortotópico murino de cáncer de mama. En el cuarto capítulo, se evaluó el potencial del miR-99a-5p como biomarcador para el diagnóstico del cáncer de mama. Se determinó la expresión del microRNA en tumores primarios de cáncer de mama y en tejidos sanos. Los resultados mostraron que el miR-99a-5p se encuentra infraexpresado en los tejidos cancerosos. A continuación, con el objeto de determinar el potencial del miR-99a-5p como biomarcador mínimamente invasivo, se determinaron los niveles de expresión en plasma de pacientes de cáncer de mama y de donantes sanos. Se encontró que el miR-99a-5p se encuentra a mayor concentración en el plasma de pacientes con cáncer de mama. Estos resultados se validaron en una cohorte independiente. Mediante el análisis en base a curvas ROC se confirmó que el miR-99a-5p es útil como biomarcador no invasivo para el diagnóstico del cáncer de mama incluso en estadíos tempranos de la enfermedad. El quinto capítulo se centra el diseño y validación de un biosensor basado en soportes de alúmina mesoporosa para la detección del miR-99a-5p en plasma. Los poros de una placa de alúmina mesoporosa se cargaron con el fluoróforo rodamina B, y se utilizaron oligonucleótidos complementarios a la secuencia del miR-99a-5p como puertas moleculares capaces de retener los fluoróforos en el interior de los poros. En presencia del miR-99a-5p, se produce liberación de rodamina B, que es posteriormente detectada ópticamente. Se confirmó la especificidad del biosensor, así como su alta sensibilidad. Además, utilizando muestras de plasma de pacientes de cáncer de mama y controles sanos, se confirmó la eficiencia del dispositivo para detectar cáncer de mama incluso en estadíos tempranos. Por último, en los capítulos cinco y seis se presentan la discusión general y las conclusiones principales extraídas. En conclusión, esta tesis doctoral demuestra que el miR-99a-5p tiene potencial como diana terapéutica y biomarcador para el cáncer de mama, y podría ser útil para mejorar el pronóstico de los pacientes con dicha enfermedad. Se ha elucidado que uno de los mecanismos por los que el miR-99a-5p está involucrado en sensibilidad a doxorrubicina es mediante la regulación del eje COX-2/ABCG2. Además, las nanopartículas diseñadas para la administración combinada de miR-99a-5p y doxorrubicina se presentan como una herramienta con gran potencial para el tratamiento oncológico. Por último, aprovechando el potencial del miR-99a-5p como biomarcador diagnóstico, se ha desarrollado un sistema de detección que podría ser una herramienta útil para mejorar la detección temprana del cáncer de mama. / [CA] La present tesis doctoral, titulada "paper del miR-99a-5p en càncer de mama: transformant descobriments moleculars en eines clíniques" està centrada en l'estudi del microRNA miR-99a-5p en càncer de mama i en la determinació del seu potencial com a diana terapèutica i biomarcador per al diagnòstic d'aquesta malaltia. En el primer capítol, es du a terme una revisió general del càncer de mama i els microRNAs. A continuació, en el segon capítol es presenten els objectius. En el tercer capítol es van comparar els perfils d'expressió de microRNAs d'una línia cel·lular de càncer de mama resistent a doxorrubicina amb la seua línia parental, donant lloc a la identificació del microRNA miR-99a-5p com el més desregulat entre ambdues. A continuació, es va confirmar que el miR-99a-5p augmenta la sensibilitat al fàrmac mijançant la inhibició directa de l'expressió de COX-2 de forma directa, que comporta la inhibició de l'expressió de la proteïna ABCG2 que està àmpliament descrita pel seu paper en resistència a fàrmacs. Basant-se en els resultats obtinguts, es van dissenyar nanodispositius basats en nanopartícules mesoporoses de sílice per a l'alliberament d'una combinació de miR-99a-5p i doxorrubicina en els tumors. L'eficacia dels sistemes per a reduir el creixement tumoral així com els efectes adversos associats a la doxorrubicina lliure es va confirmar en un model ortotòpic murí de càncer de mama. En el quart capítol, es va avaluar el potencial del miR-99a-5p com a biomarcador per al diagnòstic del càncer de mama. Es va determinar l'expressió del microRNA en tumors primaris de càncer de mama i en teixits sans. Els resultats van mostrar que el miR-99a-5p es troba infraexpressat en els teixits cancerosos. A continuació, amb l'objectiu de determinar el potencial del miR-99a-5p com a biomarcador mínimament invasiu, es van determinar els nivells d'expressió en plasma de pacients de càncer de mama i de donants sans. Es va trobar que el miR-99a-5p es troba a major concentració en el plasma de pacients amb càncer de mama. Aquestos resultats es van validar en una cohort independent. Per mitjà de l'anàlisi basant-se en corbes ROC es va confirmar que el miR-99a-5p és útil com a biomarcador no invasiu per al diagnòstic del càncer de mama inclús en estadis primerencs de la malaltia. El quint capítol es centra en el disseny i validació d'un biosensor basat en suports d'alúmina nanoporosa per la detecció del miR-99a-5p en plasma. Els porus d'una placa d'alúmina es van carregar amb l'indicador fluorescent rodamina B, i es van utilitzar oligonucleòtids complementaris a la seqüència del miR-99a-5p com a portes moleculars amb la capacitat de retindre els fluoròfors a l'interior dels porus. En presència del miR-99a-5p, es produeix l'alliberament de rodamina B, que serà posteriorment detectada òpticament. Es va confirmar l'especificitat del biosensor, així com la seua alta sensibilitat. A més, utilitzant mostres de plasma de pacients de càncer de mama i controls sans, es va confirmar l'eficiència del dispositiu per a detectar càncer de mama inclús en estadis primerencs. Finalment, en els capítols sis i set es presenten la discussió general i les conclusions principals. En conclusió, aquesta tesi doctoral demostra que el miR-99a-5p té potencial com a diana terapèutica i biomarcador per al càncer de mama, i podria ser útil per a millorar el pronòstic dels pacients amb dita malaltia. S'ha elucidat que un dels mecanismes pels quals el miR-99a-5p està involucrat en sensibilitat a doxorrubicina és per mitjà de la regulació de l'eix COX-2/ABCG2. A més, les nanopartícules dissenyades per a l'administració combinada de miR-99a-5p i doxorrubicina es presenta com una ferramenta amb gran potencial per al tractament oncològic. Finalment, aprofitant el potencial del miR-99a-5p com a biomarcador diagnòstic, s'ha desenvolupat un sistema de detecció que podria ser una ferramenta útil per a millorar la detecció primerenca del càncer de mama. / [EN] This PhD thesis, entitled "Role of miR-99a-5p in breast cancer: translating molecular findings into clinical tools" is focused on the study of the microRNA miR-99a-5p in breast cancer and in determining its potential as a therapeutic target and biomarker for the diagnosis of this disease. In the first chapter, a general review of breast cancer is carried out and microRNAs are also introduced. Next, in the second chapter, the objectives are detailed. In the third chapter, the microRNA expression profile of a doxorubicin-resistant breast cancer cell line was compared with its parental cell line, leading to the identification of the microRNA miR-99a-5p as the most deregulated between the two of them. Subsequently, it was confirmed that miR-99a-5p increases drug sensitivity through directly targeting COX-2, which leads to the inhibition of the expression of the ABCG2 protein, widely described to be involved in drug resistance. Based on the obtained results, nanodevices based on mesoporous silica nanoparticles were designed for the combined release of miR-99a-5p and doxorubicin in tumors. The ability of the systems to specifically target the CD44 receptor, which is overexpressed in breast cancer tumors, as well as to release the cargo specifically after internalization, were tested in vitro. Furthermore, the efficacy of the nanoparticles to reduce tumor growth and the adverse effects associated with free doxorubicin was confirmed in a murine orthotopic model of breast cancer. In the fourth chapter, the potential of miR-99a-5p as a biomarker for the diagnosis of breast cancer was evaluated. First, microRNA expression was determined in primary breast cancer tumors and compared with healthy tissues. The results showed that miR-99a-5p is downregulated in breast cancer tissues. Next, to determine the potential of the microRNA as a minimally invasive biomarker, the expression levels of miR-99a-5p in plasma of breast cancer patients and healthy donors were determined. In this case, it was found that miR-99a-5p is at higher concentrations in the plasma of breast cancer patients. These results were validated in an independent cohort. Through the ROC curve analysis, it was confirmed that miR-99a-5p is useful as a non-invasive biomarker for the diagnosis of breast cancer even at early stages. The fifth chapter focus on the design and validation of a biosensor based on nanoporous alumina supports for the detection of miR-99a-5p in plasma. The pores of the alumina plate were loaded with the fluorescent indicator rhodamine B, and oligonucleotides with a sequence complementary to the miR-99a-5p were used as molecular gates able to maintain fluorophores inside the pores. In the presence of miR-99a-5p, the capping oligonucleotide is displaced, leading to the opening of the pores and the release of rhodamine B, which is subsequently optically detected. The specificity and high sensitivity of the biosensor were confirmed. Furthermore, the efficiency of the device to detect breast cancer even at early stages was confirmed using plasma samples from breast cancer patients and healthy controls. Finally, chapters five and six present the general discussion and conclusions. In conclusion, this PhD thesis demonstrates that miR-99a-5p is a molecule with potential as a therapeutic target and biomarker for breast cancer, and it could be useful to improve the prognosis of patients. It has been elucidated that one of the mechanisms by which miR-99a-5p is involved in doxorubicin sensitivity is through the regulation of the COX-2/ABCG2 axis. Furthermore, nanoparticles designed for the combined administration of miR-99a-5p and doxorubicin are presented as a tool with great potential for cancer treatment and could be useful for the administration of microRNAs as therapy. Finally, taking advantage of the potential of miR-99a-5p as a diagnostic biomarker, a detection system has been developed and could be a useful tool to improve early detection of breast cancer. / This work was supported by, CIBERONC (CB16/12/00481), CIBER-BBN (CB07/01/2012), Spanish Government PI18/01219 (ISCIII), project RTI2018- 100910-B-C41 (MCUI/AEI/FEDER, UE) and the Generalitat Valenciana (PROMETEO/2018/024) for support. IG-C was funded by Generalitat Valenciana (ACIF/2016/030). LP was funded by Ministerio de Economia, Industria y Competitividad (FPI grant). SS was funded by Instituto de Salud Carlos III and the European Social Fund for the financial support “Sara Borrell” (CD16/000237). JMC was funded by Sociedad Española de Oncología Médica (Río Hortega-SEOM. The authors would like to thank the INCLIVA Biobank (PT17/0015/0049; B.000768 ISCIII) and the Valencian Biobanking Network integrated into the Spanish National Biobanks Network for providing the human biological samples. We would also like to thank the plasma donors and the nursing staff that accepted to participate in this study. / Garrido Cano, I. (2021). Role of miR-99a-5p in breast cancer: Translating molecular findings into clinical tools [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180358 / TESIS

[ES] La presente tesis doctoral titulada "Reconocimiento de neurotransmisores basado en nanopartículas de oro y de sílice mesoporosa para aplicaciones de detección y liberación controlada" es una tesis realizada por compendio de artículos la cual se centra en el diseño, preparación, caracterización y evaluación de distintos nanodispositivos para la detección colorimétrica de neurotransmisores y sistemas de liberación controlada que responden a neurotransmisores basados en nanopartículas de oro y nanopartículas de sílice mesoporosa, equipadas con ligandos orgánicos, efectores enzimáticos, puertas moleculares y especies cromofluorogénicas o medicamentos. En el primer capítulo se introduce una visión general de lo que son los neurotransmisores, sus principales características y el importante papel que éstos desempeñan en el funcionamiento de nuestro organismo. Además, se presenta una descripción general de las propiedades y potenciales aplicaciones de las nanopartículas de oro funcionalizadas con ligandos orgánicos como sistemas de detección y las nanopartículas mesoporosas de sílice funcionalizadas con puertas moleculares como sistemas de liberación controlada. A continuación, en el segundo capítulo se presentan los objetivos generales que son abordados en los siguientes capítulos experimentales. En el tercer capítulo, se presentan tres sistemas de detección colorimétrica de neurotransmisores basados en la agregación de nanopartículas de oro doblemente funcionalizadas con ligandos orgánicos. El primer sistema es un sensor capaz de detectar de forma selectiva el neurotransmisor serotonina, utilizando nanopartículas de oro funcionalizadas con ditio-bis(propionato de succinimidilo) y N-Acetil-L-Cisteína. El segundo sistema consiste en un sensor para la detección selectiva del neurotransmisor norepinefrina diseñado a partir de nanopartículas de oro funcionalizadas con 4-(liponiloxi)benzaldehído y ácido 4-mercato fenilborónico. El tercer sistema está compuesto por nanopartículas de oro funcionalizadas con 4-(liponiloxi)benzaldehído y N-Acetil-L-Cisteína, para la detección de normetanefrina, un importante biomarcador del tumor feocromocitoma. Todos estos sistemas se evalúan en medios competitivos como suero sanguíneo u orina. En el cuarto capítulo se muestran dos sistemas de liberación controlados enzimáticamente basados en la apertura de puertas moleculares. El primer sistema de liberación controlada responde a la presencia del neurotransmisor acetilcolina. En concreto, se utilizan nanopartículas de sílice mesoporosa funcionalizadas en su superficie con grupos de ácido fenilborónico y tapadas con la enzima acetilcolinesterasa mediante la formación de ésteres cíclicos de ácido fenilborónico entre las cadenas de oligosacáridos de la enzima y los grupos fenilborónicos de la superficie de las nanopartículas. En este caso la reacción enzimática produce ácido acético que da lugar a la hidrolisis de los ésteres borónicos, destapando los poros y liberando la carga contenida en el interior. Además, se evalúa la capacidad del dispositivo diseñado para liberar el citotóxico doxorubicina en células cancerosas en presencia de acetiltiocolina. El segundo sistema consiste en un nanodispositivo para la liberación controlada en respuesta al neurotransmisor L-glutamato. Para esto se utilizan nanopartículas tipo Janus de oro-sílice mesoporosa funcionalizadas con la enzima L-glutamato oxidasa en la parte del oro y con una puerta molecular autoinmolante de arilboronato en la superficie de la sílice. La liberación controlada se basa en el reconocimiento del L-glutamato por la enzima L-glutamato oxidasa y la posterior formación de peróxido de hidrogeno, que es la especie que induce la escisión de la puerta autoinmolante y la subsecuente apertura de los poros. Finalment es mostra que el sistema dissenyat és capaç d'alliberar un fàrmac citotòxic en cèl·lules de càncer de cervell després de detectar la presència de L-glutamat. / [CA] La present tesi doctoral titulada "Reconeixement de neurotransmissors basat en nanopartícules d'or i de sílice mesoporosa per a aplicacions de detecció i alliberació controlada" és una tesi realitzada per compendi d'articles la qual se centra en el disseny, preparació, caracterització i avaluació de diferents nanodispositius per a la detecció colorimètrica de neurotransmissors i sistemes d'alliberació controlada que responen a neurotransmissors basats en nanopartícules d'or i nanopartícules de sílice mesoporosa equipades amb lligands orgànics, efectors enzimàtics, portes moleculars i espècies cromofluorogénicos o medicaments. En el primer capítol s'introdueix una visió general del que són els neurotransmissors, les seves principals característiques i l'important paper que aquests tenen en el funcionament del nostre organisme. A més es presenta una descripció general de les propietats i potencials aplicacions de les nanopartícules d'or funcionalitzades amb lligands orgànics com a sistemes de detecció, i de les nanopartícules mesoporoses de sílice funcionalitzades amb portes moleculars com a sistemes d'alliberament controlat. A continuació, en el segon capítol es presenten els objectius generals que són abordats en els següents capítols experimentals. En el tercer capítol, es presenten tres sistemes de detecció colorimètrica de neurotransmissors basats en l'agregació de nanopartícules d'or doblement funcionalitzades amb lligands orgànics. El primer sistema és un sensor capaç de detectar de forma selectiva el neurotransmissor serotonina, utilitzant nanopartícules d'or funcionalitzades amb ditiobis (propionat de succinimidilo) i N acetil-L-cisteïna. El segon sistema consisteix en un sensor per a la detecció selectiva de neurotransmissor norepinefrina dissenyat a partir de nanopartícules d'or funcionalitzades amb 4- (liponiloxi) benzaldehid i Àcid 4-mercatofenilborònic. El tercer sistema està compost per nanopartícules d'or funcionalitzades amb 4- (liponiloxi) benzaldehid i N acetil-L-cisteïna, per a la detecció de normatanefrina un important biomarcador del tumor feocromocitoma. Tots aquests sistemes s'avaluen en mitjans competitius com sèrum sanguini u orina. En el quart capítol es mostren dos sistemes d'alliberament controlats enzimàticament basats en l'obertura de portes moleculars. El primer sistema d'alliberament controlat respon a la presència del neurotransmissor acetilcolina. En concret, s'utilitzen nanopartícules de sílice mesoporosa funcionalitzades en la seva superfície amb grups d'àcid fenilborònic i tapades amb l'enzim acetilcolina esterasa mitjançant la formació d'èsters cíclics d'àcid fenilborònic entre les cadenes d'oligosacàrids de l'enzim i els grups fenilborónicos de la superfície de les nanopartícules. En aquest cas, la reacció enzimàtica produeix àcid acètic que dóna lloc a la hidròlisi dels èsters borònics, destapant els porus i alliberant la càrrega continguda a l'interior. A més, s'avalua la capacitat del dispositiu dissenyat per alliberar el citotòxic doxorubicina en cèl·lules canceroses en presència d'acetiltiocolina. El segon sistema consisteix en un nanodispositiu per alliberació controlada en resposta al neurotransmissor L-glutamat, per al que s'utilitzen nanopartícules tipus Janus d'or-sílice mesoporosa funcionalitzades amb l'enzim L-glutamat oxidasa en la part de l'or i amb una porta molecular autoimmolant d'arilboronat a la superfície de la sílice. La alliberació controlada es basa en el reconeixement de L-glutamat per l'enzim L-glutamat oxidasa i la posterior formació de peròxid d'hidrogen, que és l'espècie que indueix l'escissió de la porta autoimmolant i la subseqüent obertura dels porus. Finalment es mostra que el sistema dissenyat és capaç d'alliberar un fàrmac citotòxic en cèl·lules de càncer de cervell després de detectar la presència de L-glutamat. / [EN] This doctoral thesis entitled "Neurotransmitters recognition based on gold and mesoporous silica nanoparticles for sensing and controlled release applications" it is a thesis carried out by compendium of articles, which is focused on the design, preparation, characterization and evaluation of nanodevices for the colorimetric sensing of neurotransmitters and controlled delivery systems responsive to neurotransmitters, based on gold nanoparticles and mesoporous silica nanoparticles equipped with organic ligands, enzymatic effectors, molecular gates and chromo-fluorogenic species or drugs. The first chapter introduces an overview about what neurotransmitters are, their main characteristics and the important role they play in the functioning of our body. In addition, a general description of the properties and potential applications of gold nanoparticles functionalized with organic ligands as detection systems and mesoporous silica nanoparticles functionalized with molecular gates as controlled delivery systems is presented. In the second chapter, the general objectives that are addressed in the following experimental chapters are presented. In the third chapter, three colorimetric detection systems of neurotransmitters based on the aggregation of gold nanoparticles doubly functionalized with organic ligands are presented. The first system is a sensor capable of selectively detecting the neurotransmitter serotonin, using gold nanoparticles functionalized with dithio-bis(succinimidyl propionate) and N acetyl-L-cysteine. The second system consists of a sensor for the selective detection of the neurotransmitter norepinephrine designed from gold nanoparticles functionalized with 4- (liponyloxy)benzaldehyde and 4-mercaptophenylboronic acid. The third system is composed of gold nanoparticles functionalized with 4-(liponyloxy)benzaldehyde and N-Acetyl-L-Cysteine, for the detection of normetanephrine, an important biomarker of the pheochromocytoma tumor. All these systems are evaluated in competitive media such as blood serum or urine. In the fourth chapter, two enzymatic controlled delivery systems based on the opening of molecular gates are developed. The first controlled delivery system responds to the presence of the neurotransmitter acetylcholine. Specifically, it consists of mesoporous silica nanoparticles functionalized on their surface with phenylboronic acid groups and capped with the enzyme acetylcholinesterase, via the formation of cyclic phenylboronic acid esters between the oligosaccharide chains of the enzyme and the phenylboronic groups on the nanoparticles surface. In this case, the enzymatic reaction produces acetic acid that induces the hydrolysis of the boronic esters, uncapping the pores and releasing the entrapped payload. In addition, the ability of the nanodevice to release the cytotoxic doxorubicin in cancer cells in the presence of acetylthiocholine is evaluated. The second delivery system consists of a nanodevice responsive to the neurotransmitter L-glutamate. It is based on Janus gold-silica mesoporous nanoparticles functionalized with the enzyme L-glutamate oxidase in the gold part and with a self-immolative arylboronate molecular gate on the surface of the silica. Controlled delivery is based on the recognition of L-glutamate by the enzyme L-glutamate oxidase and the subsequent formation of hydrogen peroxide, which results in the cleavage of the self-immolative gate and the uncapping of the pores. Finally, it is shown that the designed system is capable of releasing a cytotoxic drug in brain cancer cells after detecting the presence of L-glutamate. / The authors acknowledge financial support from the Spanish Government (Projects MAT2015-64139-C4-1-R, MAT2015-64139-C4-4-R (MINECO/FEDER) and Project AGL2015-70235-C2-2-R) and the Generalitat Valenciana (Projects PROMETEOII/2014/047 and PROMETEO/2018/024). T. Godoy-Reyes is grateful to Generalitat Valenciana for her Santiago Grisolía fellowship. A. García-Fernández is grateful to the Spanish Government for her FPU fellowship. A. Llopis-Lorente thanks “La Caixa” Foundation for his PhD grant. SCSIE (Universitat de València) is gratefully acknowledged for all the equipment employed. / Godoy Reyes, TM. (2020). Neurotransmitters recognition based on gold nanoparticles and mesoporous silica nanoparticles for sensing and controlled release applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/158420 / TESIS

Developing effective methods of generating thin metal oxide films are important for sensing and separations applications. An obstacle to device fabrication is controlling the size and spatial orientation of domain level pores while retaining the ability to generate arbitrary device level patterns. Well-ordered hexagonally packed cylindrical pores were created by taking advantage of block copolymer self-assembly followed by selective condensation of silica precursors using supercritical carbon dioxide as the solvent. It was possible to control the pore size by choosing PEO-PPO-PEO (Pluronic® series) triblock copolymers of differing molecular weights. These processes were then incorporated with conventional lithographic techniques to generate patterns on the device scale. The first route involves replacement of the organic acid catalyst with a photoacid generator that restricts acid formation by masking pre-determined regions then exposing to UV light. The second route is similar except that addition of a cross-linking agent limits acid diffusion while reversing the tone of the final pattern. The third route avoids acid diffusion altogether and generates the pattern through reactive ion etching through a sacrificial photoresist. A completely different fourth route was taken and nanoimprint lithography was used to generate sub-micron patterns with alternate block copolymers. The feasibility of the preliminary devices generated in this thesis has been examined through particle diffusion experiments. Samples were soaked in a fluorescent dye then exposed to multiple sizes of gold nanoparticles. Fluorescence quenching was then monitored to determine pore accessibility.

Tesis por compendio / [ES] La presente tesis doctoral titulada "Sistemas de liberacio'n controlada de fa'rmacos diseñados para mejorar el tratamiento de Enfermedad Inflamatoria Intestinal" se centra en el diseño, preparación, caracterización y evaluación in vivo de distintos sistemas de liberación controlada de fármacos en colon (CDDS, por sus siglas en inglés) utilizando como soporte micropartículas de silice mesoporosa, funcionalizadas con puertas moleculares. En conclusión, los estudios realizados demuestran que los materiales de silice mesoporosa, en combinación con puertas moleculares sensibles a estímulos específicos, tienen un gran potencial para el desarrollo de nuevos sistemas de liberación controlada de fármacos en el colon, dirigidos a mejorar el arsenal terapéutico disponible para el tratamiento de EII. La posibilidad de adaptar o personalizar la carga y las puertas moleculares hace que estos soportes de sílice mesoporosa sean una opción interesante para el desarrollo de nuevos sistemas de liberación controlada de fármacos en diferentes aplicaciones biomédicas. Finalmente, esperamos que los resultados obtenidos en esta tesis doctoral sirvan de inspiración para el desarrollo de sistemas de liberación controlada de fármacos innovadores y cada vez más inteligentes, para su aplicación tanto en medicina como en otras áreas. / [CA] La present tesi doctoral titulada "Sistemes d'alliberament controlat de farmacs dissenyats per a millorar el tractament de Malaltia Inflamatoria Intestinal" se centra en el disseny, preparacio, caracteritzacio i avaluacio in vivo de diferents sistemes d'alliberament controlat de farmacs en colon (*CDDS, per les seues sigles en angles) utilitzant com a suport microparticules de si'lice mesoporosa, funcionalitzades amb portes moleculars. En conclusio, els estudis realitzats demostren que els materials de si'lice mesoporosa, en combinacio amb portes moleculars sensibles a estimuls especifics, tenen un gran potencial per al desenvolupament de nous sistemes d'alliberament controlat de farmacs en el colon, dirigits a millorar l'arsenal terapeutic disponible per al tractament de MII. La possibilitat d'adaptar o personalitzar la carrega i les portes moleculars, fa que aquests suports de silice mesoporosa siguen una opcio interessant per al desenvolupament de nous sistemes d'alliberacio controlada de farmacs en diferents aplicacions biomediques. Finalment, esperem que els resultats obtinguts en aquesta tesi doctoral servisquen d'inspiracio per al desenvolupament de sistemes d'alliberament controlat de farmacs innovadors i cada vegada mes intel·ligents, per a la seua aplicacio tant en medicina com en altres arees. / [EN] This PhD thesis entitled "Smart drug delivery systems designed to improve Inflammatory Bowel Disease therapy" is focused on the design, synthesis, characterization and in vivo evaluation of several Colon Drug Delivery Systems (CDDS) using hybrid mesoporous silica microparticles as scaffolds containing molecular gates. In conclusion, the studies shown in this Thesis demonstrate that mesoporous silica materials in combination with responsive molecular gates have great potential in the design and preparation of new CDDS to improve the therapeutic options available for IBD. The possibility to adapt the cargo and the molecular gate makes mesoporous silica support especially appealing for similar controlled drug delivery applications in the biomedical field. We hope that the obtained results could inspire the development of new innovative smart drug delivery systems in this or other fields. / We thank the Spanish Government (projects MAT2015-64139-C4-1-R and AGL2015-70235-C2-2-R (MINECO/FEDER)) and the Generalitat Valenciana (project PROMETEOII/2014/047) for support. AHT thanks to the Spanish MEC for his FPU grant. We thank the Generalitat Valenciana (Project PROMETEO2018/024) / Hernández Teruel, A. (2019). Smart drug delivery systems designed to improve Inflammatory Bowel Disease therapy [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/129863 / TESIS / Compendio

Solid-state batteries are gaining a lot of attention in the commecial sector today. Development of the solid state electrolytes is an important part in making commercially viable solid-state batteries. While many solid-state electrolytes are struggling with low ionic conductivity, some have shown comparatively high conductivities that can be engineered to perform better to be implemented for consumer market. Silica based solid composite electrolytes (SCEs) are one of the materials that are of huge interest as solid-state electrolytes. As a continuation of the previous research into the silica based SCE’s, the current work focuses on the study of SCEs based on the commercially available mesoporous silica (MPS) of different pore sizes and nanosized silica powder (SNP). Ionic Liquid electrolyte (ILE) based on Li-TFSI and BMP-TFSI mixture was used to prepare composities under different humidity conditions. The effect of the extent of -OH group functionalization of silica, determined by FTIR on treated and untreated powders, on ionic conductivity was also evaluated. Obtained composities were evaluated with electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and analysed with TGA to establish correlations based on particle size and pore characteristics of MPS powder. Camparison with SNP was also made in anticipation to draw correlations with MPS. It was found that the pore size and pore volume change have more impact on the conductivity compared to surafce area of commercially obtained MPS and an unexplored pheonomenon was observed in case of SNP based SCE’s. Glovebox (GB) samples at relative humidity (RH)-0.005% have higher conductivity than dryroom samples at RH-0.5%. These findings can be used for a future reference in evaluating commercial MPS based composites as solid-state electrolytes. / Solid-state-batterier får stor uppmärksamhet i den kommersiella sektorn idag. Utveckling av fasta elektrolyter är en viktig del för att göra kommersiellt gångbara solid state-batterier. Medan många fasta elektrolyter kämpar med låg jonledningsförmåga, har vissa visat jämförelsevis höga ledningsförmåga som kan konstrueras för att prestera bättre för att implementeras för konsumentmarknaden. Kiselbaserade fasta kompositelektrolyter (SCE) är ett av de material som är av stort intresse som fasta elektrolyter. Som en fortsättning på den tidigare forskningen om de kiselbaserade SCE:erna fokuserar det nuvarande arbetet på studiet av SCE:er baserade på den kommersiellt tillgängliga mesoporösa kiseldioxiden (MPS) av olika porstorlekar och nanosized kiseldioxidpulver (SNP). Jonisk flytande elektrolyt (ILE) baserad på Li-TFSI och BMP-TFSI-blandning användes för att framställa kompositer under olika luftfuktighetsförhållanden. Effekten av omfattningen av -OH-gruppfunktionalisering av kiseldioxid, bestämd med FTIR på behandlade och obehandlade pulver, på jonkonduktiviteten utvärderades också. Erhållna sammansättningar utvärderades med elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) och analyserades med TGA för att fastställa korrelationer baserat på partikelstorlek och poregenskaper hos MPS-pulver. Kamparison med SNP gjordes också i väntan på att dra korrelationer med MPS. Det visade sig att porstorleken och porvolymsförändringen har mer inverkan på konduktiviteten jämfört med ytan för kommersiellt erhållen MPS och ett outforskat fenomen observerades i fallet med SNP-baserade SCE. Handskbox (GB) prover vid relativ fuktighet (RH)-0,005 % har högre konduktivitet än torrrumsprover vid RH-0,5 %. Dessa resultat kan användas för en framtida referens vid utvärdering av kommersiella MPS-baserade kompositer som fasta elektrolyter.